현장에서 교량 상부의 슬래브 타설을 위해 “재래식 슬래브 바닥판 동바리”나 “가시설 대용으로 시공할 수 있는 프리캐스트패널”이 사용된다.
거더와 거더사이 중앙 경간에는 시공이 편리하고, 작업자의 안전 확보에 용이한 프리캐스트패널이 많이 사용되지만, 바닥판의 캔틸레버 구간에 적용하는 프리캐스트패널은 이제 막 개발 되어 실용화되는 단계이다.
바닥판의 캔틸레버 구간은 중앙 경간에 비해 복잡할 뿐만 아니라 시공도 난이도가 높기 때문에 아직까지는 “까치발”이라고 불리는 재래식 동바리가 많이 쓰이는 실정이다.
필자는 이중 가장 흔히 사용되는 “재래식 캔틸레버 바닥판 동바리”를 예로 들어 설계 단계에서 어떠한 점을 고려해야 하는지 소개해 보고자 한다.
캔틸레버 바닥판 동바리는 크게 본체와 연결부로 구성되어 있다.
본체는 그림에서 보듯이 주로 수직재, 수평재 및 대각재가 용접으로 강결되어 있거나 핀으로 연결되어 있고, 수직재 하단부에 거더와의 간격 및 경사를 조정하는 경사조절볼트로 구성되어 있다.
연결부는 여러 형태가 있지만 가장 흔한 형태로 전단연결재에 고리를 거는 갈고리 형태의 J볼트(환봉고리 등 다양한 명칭 사용)와 동바리 본체와 J볼트를 연결하는 행어플레이트(이음철판 등 다양한 명칭 사용)로 구성되어 있다.
바닥판 콘크리트 타설 후 콘크리트가 경화되어 일정 강도를 확보하면 행어플레이트를 절단하여 가시설을 해체한다.
따라서 캔틸레버구간 바닥판의 동바리 설계시 연결부는 하중을 지지함과 동시에 해체를 용이하게 하기 위하여 허용응력 대비 여유있게 하기 보다는 Just하게 설계하기 때문에 전체 구조계에서 중요한 포인트가 된다.
캔틸레버 바닥판 동바리는 이러한 구성을 한 세트로 하고, 동바리의 종방향 간격을 조정하면서 하중을 지지할 수 있도록 설치한다.
바닥판 동바리 설계시 고려되는 하중은 고정하중(콘크리트 및 거푸집 하중)과 작업하중이다. 일반적인 거더 교량의 경우 바닥판 단면두께는 240㎜이고 이 높이에 대한 작업하중으로 2.5kN/㎡을 적용한다.
이때 횡방향 경사가 커서 헌치가 두꺼워 무시할 수 없는 경우는 헌치 두께도 고려하여 고정하중을 구한다.
또한 아래 그림에서 보는 것과 같이 바닥판 외측으로 작업공간이 있을 때는 그 부분의 작업하중도 고려해야 한다.
이는 주요 감사 지적사항이기도 하지만 외측에 작업하중을 재하할 때 행어플레이트에 최대단면력이 발생하기 때문에 실제 작업조건이 외측에서 작업을 한다면 반드시 고려해야 하는 사항이다.
단, 바닥판의 내민길이와 대각재가 수평재와 만나는 위치에 따라서 수평재에 발생하는 최대 모멘트는 외측 작업하중을 고려하지 않을 때 발생하는 경우가 있다. 그렇기 때문에 두 가지 경우를 같이 고려해야 한다.
일반적으로 거더의 전단연결재는 일반부에서 400㎜ 간격, 단부에서는 200㎜이기 때문에 그 배수의 맞춰서 동바리 간격을 정한다.
일반부에서는 800㎜ 간격으로 많이 설치하는데 캔틸레버 내민 길이가 길면 하중이 증가하여 800㎜ 간격일 때 N.G.가 발생하는 경우도 있다. 이때 안전측으로 400㎜ 간격으로 배치하면 좋겠지만 이렇게 하면 가시설이 두배로 필요하므로 임대료를 부담해야 하는 업체의 거센 반발에 직면하게 된다.
이때 현장에서는 전단연결재 뒤쪽으로 종방향으로 장철근을 설치하여 거기다가 행어볼트를 거는 방법을 많이 사용한다.
이때는 종방향 장철근의 안전성에 대해서도 추가 검토해야 한다.
행어플레이트의 허용력은 허용응력×행어플레이트 단면적인데, J볼트 공제 단면이나 절단홈이 파져있는 곳 중 취약단면을 선정해서 검토해야 한다.
제품에 따라 두께를 증가시킨 경우 행어플레이트 전체가 아닌 J볼트 공제되는 단면만 보강하는 경우가 많으므로 이는 설계자가 제품의 형태를 면밀히 살펴보아 상황에 맞게 가장 보수적인 단면을 선정하여 설계하여야 한다.
특히 행어플레이트는 가장 Just하게 설계하는 부재이기 때문에 이 부분에서의 설계의 실수는 대형 사고로 이어질 수 있다.
또한 J볼트는 나사선이 있으므로 직경에 대한 단면적이 아닌 유효단면적으로 검토해야 한다.
단부는 신축이음이 설치되는 위치로 일반부 바닥판의 두께가 240㎜일 때 단부는 통상적으로 440㎜ 두께로 설계한다.
단부의 두께가 2배 이하이므로 보통 동바리 설치간격을 1/2 수준으로 조정하면 큰 문제는 없다.
단, 이때 자주 하는 실수가 장선의 간격 검토 없이 일반부와 똑같이 설계한다는 것이다.
장선의 간격은 동바리의 간격에 상관없이 콘크리트 하중에 좌우되므로 단부 장선에 대해서는 꼭 별도의 검토가 필요하다.
이상과 같이 설계시 유의사항에 대하여 정리해보면 아래표와 같다.
상기사항을 고려하여 Midas 등 구조해석 프로그램을 사용하여 아래과 같이 모델링 할 수 있다.(모델링 예시)
이상과 같이 교량 상부 슬래브 바닥판 중 캔틸레버 구간에 많이 사용되는 재래식 동바리의 설계시 유의사항을 소개해 보았다.
바닥판 동바리의 구조계는 간단하지만 연결부가 Just하게 설계되기 때문에 꼼꼼히 검토하지 않으면 N.G.로 이어질 수 있다.
특히 가시설 업체는 상세한 도면을 제시하지 않는 경우가 많아서 필요한 상세도 요청을 하고 도면과 구조계산에 사용한 자재인지 자재반입시 반드시 확인해야 한다.
바닥판 동바리 설계할 때 앞서 소개한 조건들을 세심하게 검토하여 낙하, 추락 등의 안전사고를 미연에 방지하고 최상의 품질을 확보할 수 있도록 하여야 할 것이다.
KDS 21 50 00 : 2022 (거푸집 및 동바리 설계기준, 국토교통부)
KDS 14 30 10 : 2019 (강구조 부재 설계기준(허용응력설계법), 국토교통부)
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